Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
075-15-2021-589
Период реализации проекта
2021-2023
Приглашенный ученый
с августа 2023 Жуков Алексей Евгеньевич Россия
2021 - 2023 Демир Хилми Волкан Турция

По данным на 01.11.2022

34
Количество специалистов
24
научных публикаций
1
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Название проекта: Нанолазеры и микролазеры на основе новых наноматериалов и современных оптических архитектур

Цели и задачи
Целью данного проекта является разработка новых наноматериалов и нанофотонных дизайнов для создания нано- и микролазеров видимого диапазона, работающих при комнатной температуре, при этом обладающих сверхкомпактными размерами, сверхбыстрым режимом модуляции генерации, низкими порогами генерации, работающих от непрерывной оптической или электрической накачки, позволяющих осуществлять контроль поляризационных и пространственных характеристик генерируемого ими излучения, а также интегрированных с волноведущими системами.
Реализация каждого из вышеперечисленных свойств разрабатываемых лазеров является отдельной задачей, связанной в единую цепочку взаимозависимых исследовательских циклов, включающих в себя теоретическую разработку архитектур устройств, создание качественных образцов, проведение первичных экспериментов, уточнение теоретических моделей и оптимизация технологии, экспериментальная реализация наиболее оптимизированного дизайна с необходимыми параметрами.
Основными задачами являются разработка новых теоретических моделей и синтез новых наноматериалов, после чего производится многостадийная характеризация полученных образцов, а также их интеграция с другими нанофотонными дизайнами.
После повторения ряда циклов проект достигает цели - создаются нано- и микролазеры с необходимыми свойствами.

Практическое значение исследования

Научные результаты:

  • Разработаны новые синтетические подходы к получению коллоидных перовскитных нанокристаллов со структурой ядро-оболочка типов CsPbBr3-CdS и CsPbBr3-SiO2. Нанокристаллы проявили высокую стабильность структурных и оптических свойств в водных растворах и эффект подавления Оже рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда за счет наличия оболочки. Впоследствии, нанокристаллы CsPbBr3-SiO2 были использованы для двухфотонной визуализации биологических объектов, а CsPbBr3-CdS - для самосборки сверхрешеток микронного размера, показывающих стабильную во времени фотолюминесценцию при их возбуждении УФ излучением.
  • Разработан метод синтеза перовскитных нанокубоидов состава CsPbBr3, поддерживающих оптические резонансы типа Ми. Полученные нанокубоиды были нанесены на металл-диэлектрические подложки, которые позволили наблюдать низкопороговую лазерную генерацию в перовскитных резонаторах. Была подтверждена поляритонная природа лазерной генерации. Обнаружено, что одномодовая поляритонная лазерная генерация происходит в нанокубоиде с размером грани 190 нм.
  • Методом перекристаллизации под давлением тонких поликристаллических пленок CsPbBr3 с размером перовскитных зерен 0.1-0.2 мкм были получены пленки с улучшенной кристалличностью зерен большего размера (до 17 мкм). Пленки с толщиной 100 нм проявили рекордный для данного вида перовскита коэффициент оптического усиления 12900 см-1. Из пленки был получен массив микродисков, проявивших низкопороговую (14 мкДж см-2) и высокодобротную (Q = 1800) лазерную генерацию.
  • Изготовлены гибкие визуализаторы инфракрасного лазерного излучения на основе кремниевых нитевидных микрокристаллов, внедренных в полимерную мембрану. Разработана новая платформа на основе перовскитных нано- и микролазеров, интегрированных с одномерным фотонным кристаллом, для управления направленностью лазерного излучения и его распространения на микромасштабе. Изготовлены прототипы перовскитных детекторов терагерцового лазерного излучения. Разработана и апробирована модель нелинейного оптического нагрева кремниевой частицы при ее взаимодействии с лазерным излучением на частоте близкой к резонансной частоте частицы.   
  • Продемонстрирована эффективная генерация третьей гармоники в массивах кремниевых нитевидных микрокристаллов, инкапсулированных в полимерной мембране. Массивы были изготовлены с применением методов литографии (с использованием полистирольных микросфер) и сухого травления кремниевой подложки. Теоретически и экспериментально установлено, что оптические резонансы, поддерживаемые нитевидными кристаллами, определяют спектральные характеристики генерации третьей гармоники. При этом интенсивность сигнала генерации на резонансной длине волны в несколько раз выше по сравнению с соответствующим значением на длинах волн вблизи резонансной. Определена зависимость интенсивности генерации от длины волны накачки для массивов нитевидных кристаллов. Показано, что изготовленные композитные мембраны эффективно преобразуют инфракрасное излучение в широком спектральном диапазоне (λ = 1200-1900 нм) в видимый свет. В то же время, мембраны являются гибкими и полупрозрачными для проходящего через них инфракрасного излучения.
  • Выполнена интеграция перовскитных нано- и микролазеров с одномерным фотонным кристаллом (ФК), поддерживающим эффективное возбуждение и дальнее распространение блоховских поверхностных волн (БПВ). ФК обеспечивает распространение когерентного излучения перовскитного лазера на расстояние не менее 50 мкм. Полученные экспериментальные результаты согласуются с численными расчетами, подтверждающими эффективность перекачки лазерного излучения в БПВ более 16%. Обнаружено, что направленность БПВ зависит от длины перовскитного резонатора и от эффективного показателя преломления БПВ. В отличие от перовскитных нанолазеров с субволновыми размерами, микролазеры с размерами граней больше длины излучаемой волны поддерживают узконаправленные БПВ с углом расхождения 9±2°. Более того, плоскостной изотропный закон дисперсии БПВ позволяет смещать и направлять луч лазерной генерации в зависимости от ориентации пучка возбуждающего излучения.
  • Для органо-неорганических галогенидных перовскитов MAPbI3 и MAPbBr3 продемонстрировано обнаружение распространяющихся в свободном пространстве терагерцовых импульсов. Сверхбыстрое изменение проводимости, происходящее в перовскитных монокристаллах и поликристаллических пленках при их возбуждении фемтосекундным лазером, позволяет эффективно регистрировать терагерцовое излучение. Результаты демонстрируют пригодность галогенидных перовскитов для изготовления фотопроводящих детекторов терагерцового излучения и возможность их масштабирования.
  • Разработан новый теоретический подход к оптимизации процесса нелинейного оптического нагрева кремниевого резонатора. Предлагаемая система на основе моды сверхрезонатора в цилиндрических кремниевых частицах позволяет эффективно преобразовывать падающий на частицу свет в тепло при условии отстройки частоты падающего излучения от частоты моды. Выявлен режим бистабильности в условиях оптического нагрева при интенсивности падающего излучения около 1 мВт/мкм2.

Образование и переподготовка кадров:

  • Сотрудники лаборатории выступили с докладами на научной школе «SLALOM» (28-30 июня 2021 г., Владивосток, Россия).
  • В 2021-2022 годах были проведены 6 стажировок аспирантов лаборатории в Университете Билкент (Турция).   

Организационные и инфраструктурные преобразования:

На базе лаборатории создана инфраструктура как для синтеза уникальных наноматериалов, так и для измерения их свойств для задач лазерной генерации. На базе собранных установок проводятся также и лабораторные практики для студентов Университета ИТМО.

Сотрудничество:

  • Российский центр гибкой электроники (Россия): сотрудничество в области новых материалов и наноматериалов для фотодетекторных и дисплейных матриц.
  • АО «СКТБ «Кольцова»: работы по поиску подходов к созданию сегментных светодиодов и светоизлучающих матриц на базе новых наноматериалов.
  • ПАО «Газпром нефть»: проведен проект «Изучение технологий и способов применения гибкой электроники», посвященный поиску существующих решений и технологий (в том числе аддитивных) гибкой электроники применительно к IoT/IIoT, носимым устройствам.
Скрыть Показать полностью
Talianov, Pavel M., et al.
"Halide Perovskite Nanocrystals with Enhanced Water Stability for Upconversion Imaging in a Living Cell." The Journal of Physical Chemistry Letters 12.37 (2021): 8991-8998.
Hwang, Min-Soo, et al.
"Ultralow-threshold laser using super-bound states in the continuum." Nature communications 12.1 (2021): 1-9.
Talianov, Pavel, et al.
"Adaptive Nanoparticle‐Polymer Complexes as Optical Elements: Design and Application in Nanophotonics and Nanomedicine." Laser & Photonics Reviews 15.9 (2021): 2000421.
Kudlis, A., I. Iorsh, and I. A. Shelykh
"All-optical resonant magnetization switching in CrI 3 monolayers." Physical Review B 104.2 (2021): L020412.
Sinev, Ivan S., et al.
"Observation of ultrafast self-action effects in quasi-BIC resonant metasurfaces." Nano Letters 21.20 (2021): 8848-8855.
Tripathi, Aditya, et al.
"Lasing action from anapole metasurfaces." Nano Letters 21.15 (2021): 6563-6568.
Zhizhchenko, Alexey Yu, et al.
"Directional Lasing from Nanopatterned Halide Perovskite Nanowire." Nano Letters 21.23 (2021): 10019-10025.
Fan, Yubin, et al.
"Enhanced multiphoton processes in perovskite metasurfaces." Nano Letters 21.17 (2021): 7191-7197.
Koryakina, Irina G., et al.
"Microfluidic synthesis of optically responsive materials for nano-and biophotonics." Advances in Colloid and Interface Science 298 (2021): 102548.
Gaponenko, Roman, et al.
"Harnessing superdirectivity in dielectric spherical multilayer antennas." Physical Review B 104.19 (2021): 195406.
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория 3D печати функциональных наноматериалов

Национальный исследовательский университет ИТМО - (ИТМО)

Нанотехнологии

Санкт-Петербург

Кумачева Евгения Эдуардовна

Канада

2019-2021

Лаборатория «Светоизлучающие углеродные квантовые наноструктуры»

Национальный исследовательский университет ИТМО - (ИТМО)

Нанотехнологии

Санкт-Петербург

Рогач Андрей

Германия

Ушакова Елена Владимировна

Россия

2018-2020

Международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» - (НИЯУ МИФИ)

Нанотехнологии

Москва

Ракович Юрий Петрович

Ирландия, Беларусь

Самохвалов Павел Сергеевич

Россия

2017-2021